《模拟集成电路原理》课程教学方法改革与实践

谢海情 蔡稀雅 郭 剑 邹望辉

（长沙理工大学物理与电子科学学院 湖南·长沙 410114）

0 引言

作为信息技术产业的核心，集成电路是支撑国家经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，已成为实现科技强国、产业强国的关键标志[1-3]。目前，我国大力发展集成电路产业，不断提高技术的创新能力，产业发展支撑能力也得到了明显提高。然而与发达国家和地区相比，我国集成电路技术仍然比较落后，高端芯片产品做不到自给自足，对构建国家产业核心竞争力、保障信息安全等做不到有力支撑[4]。近年来，我省高度重视集成电路产业的发展，组建了省集成电路产业联盟，初步形成了以芯片设计和IGBT为特色的长沙、株洲两大产业集聚区，拥有集成电路企业246家。

集成电路是典型的人才密集型产业。产业的发展需要以人才为支撑，集成电路产业人才的培养是集成电路产业发展中基础性工程。数据表明，到2020年集成电路产业总需求量是72万人，现有人才总数只有40余万，缺口达到30万，而目前相关专业每年的毕业生在3万人左右，人才缺口依然较大[5]。

1 课程现状

我校电子科学与技术专业以培养集成电路设计与微电子器件方向的创新型高级专门人才为目标。《模拟集成电路原理》是该专业的核心、必修课程，对培养模拟集成电路相关方向的人才有至关重要的作用[6,7]。其所需基础课程有电路基础、电子线路（上、下）、半导体物理、微电子器件等。该课程的学习需要大量的基础知识储备量和较强的分析理解能力。教学过程中，首先引入模拟电路设计的概念性知识，讲解集成电路的发展与其对生产、生活产生的影响。接着进入理论知识的教导，从讲解MOS器件的工作原理与各种工作状态下工作特性的模型推导入手；然后介绍了基本模拟芯片模块的分析，如单级放大器、差动放大器、运算放大器和电流镜；再到各种性能参数与系统层次模块设计的教学，如电路噪声分析、系统稳定性分析、基准电压源设计、锁相环设计等。整个教学过程要求学生掌握大量理论基础知识，记住多个典型电路结构与模型，学会并完成简单的系统层次集成电路分析与设计。在教学期间，实验课程与理论课并行，需讲解EDA软件的使用和传授集成电路设计的常用的方法[8,9]。

学生在学习过程当中，缺少工程体验，而集成电路本就存在内容抽象、理论计算公式烦琐、图示复杂等特点，导致学生学习兴趣降低。课程本身具有较大的学习难度，往往一节课跟不上就导致后面的课程都学不懂。尤其对于低年级专业基础课程熟悉程度较差的学生，其学习难度翻倍增加。另外，该课程是一门理论与实践并重的课程，学生在学习过程中，需学会相应的EDA工具使用，并完成相应的实验。目前EDA工具大多由国外引进，其安装使用难度较大，且相应的使用说明书大多为英文，使得学生在课后自主学习难度较大，进一步加大了教学难度和学习难度[10,11]。

为进一步优化教学质量，提高人才培养质量，应对《模拟集成电路原理》课程的教学方法进行改革。

2 课程教学方法改革

2.1 加强理论基础、紧扣专业前沿

《模拟集成电路原理》课程对专业基础知识要求较高，加强对电路基础、电子线路（上、下）、半导体物理、微电子器件等基础课程的教学强度，让学生深入掌握必备的基础知识，使学生在后面学习过程更加容易，降低因基础差而跟不上课程进度的影响。对于难度较大的课程，学生上课期间可能掌握不了，在课后定期开设答疑课程，可为学生解答较为复杂的知识点，扫除学生的知识盲区。

教材课本的选择也是极其重要的。国内的该课程的教材内容较陈旧，对国外著名教材的翻译质量也不太高，通过对各种教材的考察并针对我校学生和课程的特点，选择国外经典著作毕查德·拉扎维的《模拟CMOS集成电路设计》的中文翻译版为课程主教材，外文原版作为辅助教材。这本书介绍了模拟CMOS集成电路的分析与设计，不仅详细地阐述了模拟电路的基本原理和概念，同时还阐述在片上系统中模拟电路设计遇到的新问题及电路技术的新发展。本书由浅入深，理论与实际相结合，提供了大量现代工业的设计实例，是现代模拟集成电路设计的理想教材。在使用这本书的时候，应鼓励学生多参考外文原版教材，提高学生的英文阅读能力。

集成电路技术发展速度迅猛，更新换代快，容易出现课本知识落后于科技前沿较大的情况。在教学过程中，不单单要讲解课本上的理论知识，还要融入当前先进的科学技术知识。讲解当下集成电路发展现况，让学生的知识水平跟上科技前沿。同时，前沿技术的引入可以增加教学的趣味性，培养学生的探索精神。

2.2 完善实践教学、促进知识理解

《模拟集成电路原理》课程具有较强的工程性，在学会相应的理论基础后，应注重工程实践。集成电路制备工艺复杂，其流片成本昂贵。因此，学生无法通过制备具体电路芯片完成实验验证。但随着电路仿真技术的进步和发展，集成电路仿真方案愈来愈成熟。性能强大的EDA工具可以对学生设计的集成电路模块进行高质量模拟仿真，让学生进一步理解集成电路的理论知识。且集成电路仿真也是集成电路工程师从事研发的核心步骤之一。

EDA工具大多具有版权限制，对硬件使用环境要求较高。此外，通常需要大量的时间来完成一个集成电路测试。首先学校应进一步完善实验教学平台，增加实验课程课时，实验课由学生动手实践为主，教师指导为辅。参考模拟芯片所使用的工具，学生可以预先接触到各种设计工具，并将它们结合起来使用。其次开设课后兴趣实验小组，自由开放EDA实践平台，以增加学生的实验机会，给学生独立创新思考的空间，深入体会集成电路的工程性，提高课程学习兴趣。

2.3 鼓励学科竞赛、提高创新能力

高校学科比赛可以巩固与增强学生对基础理论知识的理解，同时提高学生的知识的运用能力和创新能力。目前，学生参加各类专业比赛是高校教学环节接中重要一部分。很多学习竞赛往往由校企联合举办，大赛命题很多时候基于企业的实际项目。学生在参加比赛的过程可以把理论与实践相结合，真正做到把知识运用到实际生产生活中。

学校将加大力度，鼓励和支持电子科学与技术专业的学生参与“全国大学生集成电路创新创业大赛”等学科竞赛，对教学模式进行改进，吸引和选拔优秀学生，实现因材施教，做到教学资源的充分利用和合理化调配。

3 结论

集成电路是典型的人才密集型产业，集成电路产业发展的最重要因素是人才。通过每年的就业情况以及专业数据表明，集成电路产业总需求量远远大于现有人才总数，集成电路高层次人才严重缺乏。《模拟集成电路原理》是高等院校集成电路人才培养的重要课程。针对该课程讲授与学习的特点，从加强理论基础、紧扣专业前沿，完善实践教学、促进知识理解，鼓励学科竞赛、提高创新能力等三个方面对该课程的教学方法进行改革，从而提高集成电路人才的培养质量，为国家和社会输送高质量集成电路相关领域的人才，具有重要的意义。